Wetenschappers van de Nanyang Technological University (NTU Singapore) in Singapore hebben een papierachtig materiaal gemaakt dat is afgeleid van stuifmeel dat buigt en krult als reactie op veranderende niveaus van luchtvochtigheid.

Het vermogen van dit papier gemaakt van stuifmeel om zijn mechanische eigenschappen te veranderen als reactie op externe prikkels kan het bruikbaar maken in een breed scala aan toepassingen, inclusief zachte robots, sensoren, kunstmatige spieren, en elektrische generatoren.

In combinatie met digitaal printen, stuifmeelpapier kan veelbelovend zijn voor de fabricage van een nieuwe generatie programmeerbare natuurlijke actuatoren - componenten in een machine die verantwoordelijk zijn voor het bewegen en besturen van een mechanisme.

De bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences deze week, laten zien hoe het NTU Singapore-team het papier formuleerde met behulp van verzachte stuifmeelkorrels.

Ze demonstreerden de eigenschappen van het op stuifmeel gebaseerde papier door het te vouwen tot een bloem die 'bloeit' in de aanwezigheid van waterdamp. Ze toonden ook aan dat de fysieke eigenschappen van het stuifmeelmateriaal kunnen worden aangepast, met een strook op stuifmeel gebaseerd papier dat kan 'lopen'.

De corresponderende auteurs van dit artikel zijn assistent-professor Song Juha van de School of Chemical and Biomedical Engineering, en professor Cho Nam-Joon en professor Subra Suresh van de School of Materials Science and Engineering aan de NTU.

NTU Distinguished University Professor Subra Suresh, die ook de NTU-voorzitter is, zei:"Er is veel vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van bio-geïnspireerde sensoren en actuatoren op basis van synthetische materialen, maar deze materialen hebben beperkingen, zoals problemen met ecologische duurzaamheid en relatief hoge kosten. Er blijft een kritieke noodzaak om kosteneffectieve en milieuvriendelijke materialen op te nemen. Net zoals dennenappels hun schubben openen en sluiten afhankelijk van de hoeveelheid vocht in de lucht, ons NTU-onderzoeksteam heeft aangetoond dat stuifmeelpapier gemaakt van natuurlijk overvloedige stuifmeelkorrels als een actuator reageert op veranderingen in de vochtigheid van de omgeving."

NTU-hoogleraar Cho Nam-Joon, die de Materials Research Society of Singapore-leerstoel in Materials Science and Engineering bekleedt, zei:"Deze bevindingen bouwen voort op het recente werk van ons NTU-team, waarin we lieten zien hoe harde stuifmeelkorrels kunnen worden omgezet in zachte microgeldeeltjes die hun eigenschappen veranderen als reactie op externe prikkels. Dit proces maakt ook stuifmeel en de producten die we ervan maken, niet allergeen."

Stuifmeelpapier dat buigt, draait en beweegt

Om het papier te vormen, het NTU-team transformeerde eerst de ultrasterke stuifmeelkorrels van zonnebloemen in een buigzaam, gelachtig materiaal door middel van een proces dat vergelijkbaar is met het maken van conventionele zeep. Dit proces omvat het verwijderen van het kleverige, op olie gebaseerde stuifmeelcement dat het oppervlak van de korrel bedekt, voordat het stuifmeel urenlang in alkalische omstandigheden wordt geïncubeerd.

Het resulterende gelachtige materiaal wordt vervolgens in een mal gegoten en gelaten om te drogen, het vormen van een papierachtig materiaal. Met behulp van scanning elektronenmicroscopie, de wetenschappers merkten op dat het op stuifmeel gebaseerde papier afwisselende lagen stuifmeeldeeltjes bevat, waarbij de bovenlaag beduidend ruwer is dan de onderlaag.

Het bovenoppervlak van het stuifmeelpapier, die met het blote oog bevroren lijkt, vertoonde overblijfselen van de duidelijke spikes van de zonnebloempollenkorrels, bijdragen aan zijn ruwheid. Het bodemoppervlak, die een spiegelachtige oppervlakteafwerking krijgt, was relatief soepeler.

Dit structurele verschil in pollendeeltjeslagen zorgt ervoor dat het papier in aanwezigheid van waterdamp begint te buigen, en onder droge omstandigheden, het buigt. Herhaalde cycli van vochtige en droge omstandigheden zorgen ervoor dat het papier na verloop van tijd een draaiende beweging uitvoert.

NTU-assistent-professor Song Juha legde uit:"Tijdens water- of waterdampabsorptie, de stuifmeeldeeltjes in het papier zwellen op en zetten uit. Vanwege het structurele verschil in de pollendeeltjeslagen, het papier zwelt op verschillende plaatsen anders op. Dit veroorzaakt interne spanningen door de dikte van het papier, die het dwingt te buigen."

Om aan te tonen dat het mogelijk is om de waterdamprespons van stuifmeelpapier aan te passen, het team heeft de verwerkingsparameters aangepast, voornamelijk de alkalische incubatietijd van de stuifmeelkorrels. Ze voegden zich bij twee stuifmeelpapiermonsters, elk bereid onder verschillende incubatietijden (3 uur en 12 uur), om een ​​strook van bi-materiaal stuifmeelpapier te vormen met een zichtbare grens.

Toen het bi-materiaal stuifmeelpapier werd blootgesteld aan een vochtig-droogcyclus, De verschillende reacties van de twee stuifmeelpapiermonsters op vochtigheid zorgden ervoor dat het papier 'liep' als een rups die beweegt door zijn zachte lichaam afwisselend uit te zetten en samen te trekken.

De wetenschappers demonstreerden ook de mogelijke toepassing van stuifmeelpapier als een zelfaansturende zachte robot door middel van een bloem gemaakt van stuifmeelpapier die 'bloeit' door geleidelijke absorptie van waterdamp.

Prof Suresh zei:"Het stuifmeelpapier dat we hebben ontwikkeld, vertoont een sterke mechanische werking naarmate de vochtigheid verandert. Dit natuurlijk voorkomende materiaal biedt mogelijkheden voor de ontwikkeling van een breed spectrum van activeringssystemen met aangepaste eigenschappen voor verschillende functionele behoeften."